JPH02256010A - 光ファイバーを光源に接合する方法 - Google Patents

光ファイバーを光源に接合する方法

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JPH02256010A
JPH02256010A JP1234535A JP23453589A JPH02256010A JP H02256010 A JPH02256010 A JP H02256010A JP 1234535 A JP1234535 A JP 1234535A JP 23453589 A JP23453589 A JP 23453589A JP H02256010 A JPH02256010 A JP H02256010A
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support
optical fiber
fiber
fiber support
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JP1234535A
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Daniel P Courtney
ダニエル ピー.コートニー
Timothy J Bailey
ティモシー ジェイ.ベリー
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Original Assignee
United Technologies Corp
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    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24Coupling light guides
    • G02B6/42Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4202Packages, e.g. shape, construction, internal or external details for coupling an active element with fibres without intermediate optical elements, e.g. fibres with plane ends, fibres with shaped ends, bundles
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24Coupling light guides
    • G02B6/42Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4219Mechanical fixtures for holding or positioning the elements relative to each other in the couplings; Alignment methods for the elements, e.g. measuring or observing methods especially used therefor
    • G02B6/422Active alignment, i.e. moving the elements in response to the detected degree of coupling or position of the elements
    • G02B6/4225Active alignment, i.e. moving the elements in response to the detected degree of coupling or position of the elements by a direct measurement of the degree of coupling, e.g. the amount of light power coupled to the fibre or the opto-electronic element
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、レーザーダイオードや超発光ダイオード(s
uper 1us+1nescent diode)の
ような光源に光ファイバーを接合する方法、及びその方
法を用いて製造された装置に関する。
[従来の技術及び発明が解決しようとする課題]光ファ
イバーを光源に接合することは、ビグティリング(pi
gtailing)と呼ばれている。従来、光源と光フ
ァイバーとの間の簡単かつ軽量で経済的な接合を提供す
るための問題は、十分に解決されていなかった。また、
従来より使用されている方法は、実験室内及び比較的温
和な環境下においてしか、利用できなかった。
従来では、光源用の強固で耐衝撃性のピグテイル型デバ
イスは、明示されていない。
光ファイバーセンサー及び通信システムの分野において
、光ファイバーを光源に接合する方法に実質的に必要な
ものが開発されている。このような耐衝撃性で広い温度
範囲で操作可能なデバイスのための典型的な応用は、軍
需品及び軍事用のミサイルのためのファイバーオプティ
クスジャイロである。商業的な応用もあり、固体の簡単
な接合が望まれる。
従来より、基板に形成された溝部を使用して、光ファイ
バーを互いに連結することが知られている。この溝部は
、光ファイバーのアライメント及び固定のために使用さ
れる。これについては、[ファイバーコネクター、スプ
ライサ−及びカップラー J (Kao、 Bicke
l著、ITT !レフトローオプティカル プロダクト
 デビッジョン、バージニア州ロアノーク)に記載され
ている。また、ニオブ酸リチウム(LiNbOs)の結
合にテーパ状の光ファイバーを使用することが、Div
ensらの米国特許4.445.571号に開示されて
いる。しかし、これは、ニオブ酸リチウム基板の導波路
デバイスを光ファイバーケーブル結合する技術に関する
ものであり、レーザーのような光源に接合するものでは
ない。
ニオブ酸リチウムで作った光集積デバイスに結合された
光ファイバーは、周知の技術である。
般に、これらのデバイスは、大きく、複雑で、衝撃及び
振動力に対して敏感であり、光源に対してピグテイルを
形成する周知のデバイスと同様である。本出願人に譲渡
された米国特許4,750,800号には、優れた方法
で光ファイバーに連結した■10デバイスが記載されて
いる。この特許は、I10デバイス及び光ファイバーと
組み合わせた光ファイバー支持体の使用について開示し
ている。ファイバー支持体は、基板取付面が、I10チ
ップの熱膨張係数と実質的に同じ熱膨張係数を有する物
質で形成されている。また、この特許には、ファイバー
支持体をI10チップと同じ物質で作ることも開示され
ている。さらに、I10デバイス及び光ファイバー支持
体は、エポキシ樹脂を使用することによって貼着されて
いる。
光ファイバーを光源に接合するための従来の装置は、一
般に、大きくて複雑なりランプ装置を有し、このクラン
プ装置は、光源とともに基板に取り付けられている。例
えば、「ファイバー オプティック プロダクト ニュ
ースJ(1986年8月)の32頁には、5tante
l Components、 Inc。
で作られた高信頼性(high reliabilit
y)レーザーダイオードが記載されている。また、マサ
チューセッツ州ボストンのレーザートロン(LASER
TRON)によって作られたダイオードレーザーモジュ
−ルに関して、部品仕様書(part specifi
cation)QLM1550FMに記載されており、
三菱によって作られたレーザーダイオードモデュールに
関して、部品仕様書FU−43SLD−2に記載されて
いる。
本出願人に譲渡され、同日(1989年9月8日)に出
願された特許出願は、光ファイバー支持体とI10デバ
イス又は基板との間の金属結合について開示している。
また、米国特許103,325号は、ファイバー支持体
が、光ファイバーの対向する面と光集積デバイスのライ
トボートとの間の効果的な結合手段となることを開示し
ている。
[課題を達成するための手段] 本発明では、光ファイバー支持体を使用して、光ファイ
バーを光源に接合する。支持体は、光源が取り付けられ
る基板と同じ熱膨張特性を有する物質で作ることが出来
る。基板を使用しない場合には、光源をファイバー支持
体に取り付けることが出来る。ファイバー支持体には、
所定の位置に、光ファイバーを固定するのに使用するス
ロット、■形溝あるいは丸形溝を形成することが出来る
光ファイバーの光源に隣接する側の端部は、テーパ状に
することができ、また、光源からの光線を集めるために
、先端部にレンズ、例えば凸面部を形成することも出来
る。
組立中において、光ファイバーを取り付けたファイバー
支持体を、光源が取り付けられた基板の面に隣接して配
置する。ビグテイル結合内の光の伝導が最大になるよう
に、支持体上の光ファイバーを通る光の強度を測定する
ことができ、支持体の位置を、光が最大に出力される位
置に調節することが出来る。この調節を完了した後に、
光源を支持する基板に、光ファイバー支持体を固定する
光ファイバー支持体は、エポキシで基板に貼着又は固定
する。例えば、基板及び光ファイバー支持体は、互いに
溶接することによって組立て可能な金属で作ることが出
来る。さらに、光ファイバーを金属被覆して、その後、
その光ファイバーを、金属の光ファイバー支持体に溶接
することが出来る。
他の実施例では、基板及び光ファイバー支持体を、金属
以外の物質で作った後、金属で被覆して、レーザー溶接
、静電溶接、融接(fusion bonding)の
ような溶接技術によって組み立てることができるように
する。
また、光源との適当なアライメントを行った後、光ファ
イバー支持体を基板に固定するエポキシ樹脂のような接
着剤を使用することによって、組立を行うことも出来る
本発明は、レーザーのような光源に光ファイバーを接合
するために、簡単で、耐衝撃性の、温度変化に耐える方
法、及びその装置を提供する。
また、本発明は、紹介光ダイオード又はレーザーダイオ
ードに光ファイバーを接合するために、便利で、コスト
が安く、確実な方法、及びその手段を提供する。
また、本発明は、レンズ付きの光ファイバーを使用する
場合に、光ファイバー支持体に形成された溝部によって
、光源の開口部を通る軸に沿って、その開口部から正確
な焦点距離の所に、レンズを配置する簡単な方法及び手
段を提供する。光ファイバーを溝部内で移動して、所定
の位置に固定できるように、支持体は、光源の軸に沿っ
てアライメントを行うことが出来る。また、本発明は、
光源のための簡単な熱だめ、及び光源に電力を与える手
段を提供することを目的とする。
上述したように、従来では、熱だめに固定したレーザー
ダイオードを使用し、アライメントのために光ファイバ
ーを保持する精密で高価な取付具を使用している。この
ような場合、取付具を全く使用しないで、簡単かつ効果
的な方法を使用することが出来る。
本発明によって、光源にファイバーを接合するための安
価で堅実な方法が提供される。この方法により、商業的
な大量生産が可能になり、耐衝撃性及び耐振動性が要求
されるレーザージャイロのような軍事用の光ファイバー
構成部品を経済的なものにすることが可能になる。この
技術により、効果的で安価な接合を提供することが出来
る。また、この技術により、ファイバーを所定の位置に
固定するための高価で衝撃に影響され易い従来の技術の
使用を避けることが出来る。これによって、わずかな費
用で、非常に容易かつ確実に、従来のテーパ状及びレン
ズ付きのファイバーを使用することが出来るようになる
。ファイバー支持体と光源支持体を溶接又はエポキシに
より結合することにより、構成部品の組立てをより容易
にすることが可能になる。
光源支持体と光ファイバー支持体について、実質的に同
じ材料を使用することにより、周囲の温度が変化しても
、それらの境界面間の相対的移動を最小限にすることが
出来る。光源支持体を使用する実施例では、比較的小さ
なファイバー支持体の使用により、低重量設計とし、高
い衝撃及び高いg環境からの荷重を減少させるようにし
ている。
[実施例] 以下、添付図面を参照して、本発明の一実施例を説明す
る。
図は、本発明によるピグテイル型光源装置10を示して
いる。光源12は光を供給する開口部13aを有すると
ともに、電極13bに接続されている。また、光源12
は光源支持体14に取り付けられている。光源支持体1
4は、安定な取付基部と、光ファイバー支持体を取り付
けるために使用する面とを有している。光源12を発光
させるために、電極13bは、誘電体のブロック19b
の上面部又は上層部19aにも接続することが出来る(
上面部又は上層部19aは、金属被覆した而あるいは層
であり、光源を支持するのに必要な電流を通すのに十分
な厚さを有する)。図示しない電源を上面部又は上層部
19aに接続することも出来る。ブロック19bの上面
部19aは、単に、電気的に接続する便宜的手段にすぎ
ず、本発明の一部に含まれるものではない。図示された
構成では、電気の帰還は、この場合、金属である光源支
持体14を通じて行われる。
光ファイバー20は、例えば、接着剤によって光ファイ
バー支持体18に固定されている。また、光ファイバー
支持体18の表面に金属部分があり、光フアイバ−20
自体も金属被覆されている場合には、溶接あるいはろう
付けのような金属結合によって、光ファイバー支持体1
8に固定することも出来る。光ファイバーは、光源との
光学的結合を形成するために、先端をテーパ状及びレン
ズ状にすることが出来る。例えば、テーパ状にした場合
には、先端部は、光源の開口部13aに当接可能な平面
とすることもでき、開口部13aからさらに多くの光を
効率的に取り入れるために、テーパ状の部分の先端部に
小さな凸レンズを形成するようにしてもよい。
光源装置IOの組立て中において、光ファイバー支持体
18と光源支持体14との間の移動が可能である。この
ような移動中に、光源を発光させ、様々な位置において
、光ファイバー20から出る光の強度を測定することが
出来る。特定の位置で最大の強度が測定された場合には
、光ファイバー支持体18をその位置で光源支持体14
に結合する。
光源支持体14上の光源12の機械的配置を正確に行い
、光ファイバー支持体18と光源支持体14との間のア
ライメントを行うことのような他の方法によっても、光
源12と光ファイバー18との間のアライメントを行う
ことが出来る。これは、考えられる他の方法の中で、正
確に機械仕上げした止め具又はダボ(dowels)を
光源支持体に使用することによって、あるいは組立中に
取付具を使用することによって、達成出来る。しかし、
このようなアライメント手段によって克服されなければ
ならない正確さに非常に問題があるため、このような純
粋に機械的な方法は、現在では好ましくない。
光源12と光ファイバー支持体18との結合は、エポキ
シなどの接着剤を使用するような方法によって、あるい
は、これらが金属で作られている場合や表面が金属被覆
されている場合には、各部品を溶接することによって、
行うことが出来る。このような溶接は、レーザー溶接、
静電溶接、拡散溶接、あるいは金属表面を互いに結合す
るのに使用できる他の周知の溶接技術を使用することが
出来る。また、異なった種類の金属をろう付けすること
も出来る。
光源支持体14は、金属又は熱だめになる物質で作るこ
とが好ましく、光源12によって発生した熱を散逸させ
るのに十分に大きくて重いものであることが好ましい。
金属を使用する場合には、熱膨張係数を一致させるため
に、光ファイバー支持体も金属を使用すべきである。こ
の場合、光源支持体14と光ファイバー支持体18との
間に、参照符号22で示すような溶接結合を形成するの
が都合がよいが、エポキシのような他の結合も使用出来
る。このような溶接部は、当然のことながら、光ファイ
バー支持体18の周縁部を光源支持体14の面16に接
触させる、光ファイノく一支持体と光源支持体との境界
面の他の(図示しない)周縁部に沿って、広がることが
出来る。
開示された方法によれば、20,000 g’sのオー
ダーの衝撃レベルに耐えることが出来る、強固で耐衝撃
性のビグテイル型デバイスが提供される。
この方法により作られる組立品は、小さな光源と小さな
ファイバーとを光学的に連結する適当な手段を提供し、
2つの間の強い機械的境界面を提供する。
光源12としては、レーザーダイオード又は紹介光ダイ
オードのような適当な光源を使用することが出来る。
上述したように、光源支持体14は、金属で作ることが
でき、誘電体ブロック19bに適合して、電源に電気結
合19aを提供することが出来る。
電流の帰還路として作用することに加えて、電源支持体
は、電源によって発生した熱を消散させる熱通路として
も作用する。理想的には、必ずしも必要でないが、電源
支持体は、高い電気伝導性及び熱伝導性と低い熱膨張率
を有するべきである。
支持体間に生ずる熱的機械的応力を減少させるために、
ファイバー支持体は、光源支持体と実質的に同じ物質で
作ることが望ましい。
また、ファイバー支持体18には、光源の開口部に対す
る光ファイバー伝導体の長手方向のアライメントを行う
のに使用できる溝部又はスロット24を形成することが
出来る。
組立て中において、光ファイバー支持体18は、光源支
持体の軸に対して、3つのすべての空間座標軸において
、アライメントを行うことが出来る。
このアライメントのために、幾つかの技術が可能である
その一つは、光ファイバーと光源との間の空間的アライ
メントを行い、ファイバー支持体を取り付ける前に、例
えば、−時的な取付けによって、光源に対して所定の位
置に固定することである。
光ファイバーと光源との間の光学的アライメントが達成
されれば、溶接又はエポキシ接着剤のような適当な結合
によって、ファイバー支持体と光源支持体との間、及び
光ファイバーとファイバー支持体との間で、永久的な取
付けを行うことが出来る。
他の方法は、支持体の2軸に沿って延在する光ファイバ
ーのアライメント用のチャンネルを有するファイバー支
持体を利用する。光ファイバーは、チャンネル内におい
て位置決めされ、支持体の2軸に沿って長手方向のアラ
イメントが行われる。
チャンネルは、円形導体が光ファイバー支持体のチャン
ネルのある面と十分に接触できるように、V形、半円形
あるいは他の都合のより形にすることが出来る。Z軸は
、一般的に図中でxyz座標系で示される場合に、光フ
ァイバー支持体の端面であるxy面に垂直に維持される
。図のxyz座標の指定は、単に、便宜上の問題であり
、他の座標系又ノよ指定を使用することも出来る。支持
体の端面を、光源支持体の面16に接触させ、その後、
ファイバーから出力される光が最大になるx−y位置を
感知することによって、x−yアライメントを行う。こ
の位置で、ファイバー支持体を光源支持体に結合する。
ファイバー支持体に対して比較的大きく図示されている
光源支持体を、ファイバー支持体として使用し、比較的
小さい支持体を光源の取付けに使用することも出来る。
また、ファイバー支持体18を使用しないで、支持体1
4を光源及びファイバーの支持体として使用することも
出来る。この場合については、図中の点線で示されてお
り、ファイバー支持体と光源支持体が別部品である図中
の実線で示す実施例と異なっている。図示されているよ
うに、光源12は、−股下がった棚26に配置されてお
り、面28は溝部を用いて、あるいは用いないで、ファ
イバー20を取り付けるために使用される。二重目的の
支持体は、光源用の熱だめを提供するか、又は大きさを
小さく(例えば、支持体18と同じくらいの大きさに)
できるようにするとともに、熱だめというよりは主とし
て熱伝導体として作用するのに、十分な重さと大きさに
することが出来る。
[発明の効果] 上述したように、本発明によれば、レーザーなどの光源
と光ファイバーとの間の接合を、簡単で、衝撃に強く、
温度変化にも耐えることができるものとすることが出来
る。
【図面の簡単な説明】
図は、本発明により組み立てられたファイバー支持体と
光源支持体の斜視図である。 0・・・ピグテイル型光源装置 2・・・光源 3a・・・光源開口部 3b・・・電極 4・・・光源支持体 8・・・光ファイバー支持体 0・・・光ファイバー

Claims (33)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)光ファイバーをファイバー支持体に取り付ける工
    程と、光源を光源支持体に取り付ける工程と、前記光フ
    ァイバーと前記光源とのアライメントを行う工程と、前
    記光ファイバーを前記ファイバー支持体に結合するとと
    もに、前記光源支持体を前記ファイバー支持体に結合す
    ることにより、前記光ファイバーと前記光源との間のア
    ライメントを行う工程とから成る、光ファイバーを光源
    に接合する方法。
  2. (2)前記ファイバー支持体が、前記光源支持体の熱膨
    張特性と実質的に同じ熱膨張特性を有することを特徴と
    する、請求項1項記載の方法。
  3. (3)前記光源が、超発光ダイオード又はレーザーダイ
    オードのいずれかであることを特徴とする、請求項1項
    記載の方法。
  4. (4)前記光ファイバーが、前記ファイバー支持体に隣
    接する前記光源支持体の面に対して垂直な前記ファイバ
    ー支持体の面に取り付けられることを特徴とする、請求
    項1項記載の方法。
  5. (5)前記光ファイバーの前記光源に対向する端部がテ
    ーパ状であることを特徴とする、請求項1項記載の方法
  6. (6)前記光ファイバーの前記光源に対向する端部に、
    レンズが形成されていることを特徴とする、請求項1項
    記載の方法。
  7. (7)前記ファイバー支持体に、前記光ファイバーのた
    めの長手方向に延びる取付面を形成する工程を含むこと
    を特徴とする、請求項1項記載の方法。
  8. (8)前記取付面が、前記ファイバー支持体に形成され
    た溝部であることを特徴とする、請求項7項記載の方法
  9. (9)前記取付面が、前記ファイバー支持体を貫通する
    貫通孔の内面であることを特徴とする、請求項7項記載
    の方法。
  10. (10)前記光源支持体が、電気伝導体として機能する
    とともに、前記光源によって発生した熱の通路として機
    能することを特徴とする、請求項1項記載の方法。
  11. (11)前記光源とファイバー支持体が、金属で作られ
    ることを特徴とする、請求項1項記載の方法。
  12. (12)前記光ファイバーに金属を付着させる工程と、
    前記光ファイバーとファイバー支持体との間に金属結合
    を形成する工程とを含むことを特徴とする、請求項11
    項記載の方法。
  13. (13)前記光ファイバーが、平らな端面を有し、該端
    面を前記光源に当接させることを特徴とする、請求項1
    項記載の方法。
  14. (14)前記ファイバー支持体に光ファイバーを取り付
    ける前、及び前記光源支持体を前記ファイバー支持体に
    結合する前に、前記光ファイバーと光源との間のアライ
    メントを行う工程を含むことを特徴とする、請求項1項
    記載の方法。
  15. (15)前記ファイバー支持体に空間座標のz軸に沿っ
    て延在するアライメント用チャンネルを形成し、該チャ
    ンネルに沿って光ファイバーの長手方向のアライメント
    を行い、前記光ファイバーを所望の位置に結合する工程
    と、前記z軸に垂直であり、相互に垂直なx軸及びy軸
    に沿って、前記光ファイバーと前記光源との間のアライ
    メントを行い、前記ファイバー支持体を前記光源支持体
    に結合する工程とから成ることを特徴とする、請求項1
    項記載の方法。
  16. (16)光源支持体と、該光源支持体に取り付けられた
    光源と、前記光源支持体に取り付けられた光ファイバー
    支持体と、前記光源に対してアライメントを行い、前記
    光ファイバー支持体に取り付けらる光ファイバーとから
    成る装置。
  17. (17)前記光源支持体とファイバー支持体が、実質的
    に同じ熱膨張係数を有する物質で作られることを特徴と
    する、請求項16項記載の装置。
  18. (18)前記光源支持体とファイバー支持体が、同じ物
    質から成ることを特徴とする、請求項16項記載の装置
  19. (19)前記光源支持体とファイバー支持体が金属から
    成ることを特徴とする、請求項16項記載の装置。
  20. (20)前記光源支持体及び光ファイバー支持体が、少
    なくとも一つの熱膨張軸について空間的なアライメント
    行ったものであることを特徴とする、請求項16項記載
    の装置。
  21. (21)前記光ファイバーが、前記ファイバー支持体の
    面に隣接する光源の面に対して垂直である、前記ファイ
    バー支持体の面に取り付けられていることを特徴とする
    、請求項16項記載の装置。
  22. (22)前記光ファイバーの前記光源に対向する端部が
    、テーパ状であることを特徴とする、請求項16項記載
    の装置。
  23. (23)前記光ファイバーの前記光源に対向する端部に
    、レンズが形成されていることを特徴とする、請求項1
    6項記載の装置。
  24. (24)前記ファイバー支持体が、前記光ファイバーの
    取付面を有することを特徴とする、請求項16項記載の
    装置。
  25. (25)前記取付面が、前記ファイバー支持体に形成さ
    れた溝部であることを特徴とする、請求項24項記載の
    装置。
  26. (26)前記取付面が、前記ファイバー支持体を貫通す
    る貫通孔の内面であることを特徴とする、請求項24項
    記載の装置。
  27. (27)前記光源支持体が、電気伝導体として機能する
    とともに、前記光源によって発生した熱の通路として機
    能することを特徴とする、請求項16項記載の装置。
  28. (28)前記光源支持体及びファイバー支持体が、金属
    で作られ、溶接によって互いに結合されていることを特
    徴とする、請求項16項記載の装置。
  29. (29)前記光ファイバーに付着された金属と、前記光
    ファイバーとファイバー支持体との間の金属結合部を含
    むことを特徴とする、請求項16項記載の装置。
  30. (30)前記光ファイバーが、平らな端面を有し、前記
    光源の開口部に当接して結合されることを特徴とする、
    請求項16項記載の装置。
  31. (31)光源支持体に光源を取り付ける工程と、該光源
    と光ファイバーとの間のアライメントを行う工程と、前
    記光源支持体の熱膨張特性と実質的に同じ熱膨張特性を
    有するファイバー支持体に前記光ファイバーを結合する
    工程と、前記光源支持体を前記ファイバー支持体に結合
    し、前記光ファイバーと光源との間のアライメントを確
    実にする工程とから成る、光ファイバーを光源に接合す
    る方法。
  32. (32)光源棚とファイバー棚を有する支持体と、前記
    光源棚に取り付けられた光源と、前記ファイバー棚に取
    り付けられ、前記光源との間のアライメントが行われた
    光ファイバーとから成る装置。
  33. (33)支持体の光源棚に光源を結合する工程と、前記
    光源に対して光ファイバーを位置決めする工程と、前記
    支持体のファイバー取付面に前記光ファイバーを結合す
    る工程とから成る方法。
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